Автореферат (Разработка метода проектирования многоагентных имитационных моделей на основе формализма машин абстрактных состояний)

На правах рукописиНабиуллин Олег РивхатовичРазработка метода проектирования многоагентных имитационныхмоделей на основе формализма машин абстрактных состоянийСпециальность 05.13.18 – «Математическое моделирование,численные методы и комплексы программ»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2010Работа выполнена в Нижегородском филиале Государственного университета Высшей Школы ЭкономикиНаучный руководитель:кандидат физико-математическихнаук, профессорКозырев Олег РамазановичОфициальные оппоненты:доктор технических наук, доцент,Хранилов Валерий Павловичкандидат физико-математическихнаук,Лейкин Максим ВалентиновичВедущая организация:Институт Прикладной ФизикиРоссийской Академии НаукЗащита состоится “ ”2010 г. вчасов на заседаниидиссертационного совета Д 212.048.09 при Государственном Университете Высшей Школе Экономики по адресу: 105679, Москва, ул.

Кирпичная, д. 33.С диссертацией можно ознакомиться в библиотекеГосударственногоУниверситета – Высшей Школы Экономики по адресу:105679, Москва, ул. Кирпичная, д. 33.Автореферат разослан “”2010 г.Ученый секретарь диссертационногосовета доктор технических наукВ.А.

Фомичев2I. Общая характеристика работыНастоящая диссертационная работа посвящена разработке новых методовсоздания и анализа распределенных программных комплексов длямногоагентного имитационного моделирования сложных технических исоциально-экономических систем. Предлагаемые в этой работе методыпозволяют выполнять автоматическую верификацию многоагентныхалгоритмов с использованием исполняемых спецификаций, основанных наматематическом формализме машин абстрактных состояний.Актуальность работыКомпьютерное моделирование используется во многих областях науки.Начиная с 90-х годов оно активно применяется для анализа сложныхтехнических и социально-экономических систем.

Одной из причин, из-закоторых подобные системы сложны в изучении, является тот факт, что для ниххарактерно большое количество нелинейных взаимодействий междуэлементами. Такие взаимодействия включают в себя передачу знаний иматериалов, которые часто влияют на поведение получателей. В системноманализе такие системы называются системами с организованной сложностью.Одним из методов компьютерного моделирования и исследования таких системявляется программная реализация многоагентных имитационных моделей.Многоагентная модель состоит из некоторого числа программных объектов –«агентов», взаимодействующих в виртуальной среде.Многоагентные модели и программные комплексы на их основе сложны впроектировании и разработке.

Тем более сложным является анализбезошибочности их работы и соответствия моделируемой системе. Обычноагенты программируются либо на объектно-ориентированном языкепрограммирования, либо с помощью специальной библиотеки – программногокаркаса или среды моделирования. В качестве примера таких сред можноназвать Swarm, RePast, Mimosa. Разработка комплексов имитационногомоделирования в таких средах требует создания значительного объемапрограммного кода с большим количеством неявных взаимосвязей междупрограммными агентами. Эмпирический анализ безошибочной работысозданногопрограммногообеспечениястановитсяпрактическиневыполнимым.3Многообещающим подходом, позволяющим справиться со сложностьюанализаалгоритмоввмногоагентныхкомплексахимитационногомоделирования, является разработка, управляемая моделями.

В этом подходеиспользуется иерархия моделей и метамоделей, которые на различном уровнеабстракции или детализации определяют поведение и структуру программнойреализации; при этом также используются алгоритмы анализа иавтоматической генерации программного кода по заданным моделям.Использование моделей для построения и анализа многоагентныхалгоритмов имитационного моделирования является одной из актуальных темнаучных исследований. Например, работы Альбайрака и Суэрдема посвященыиспользованиюметамоделейдлямногоагентногоимитационногомоделирования социальных систем. Некоторые программные комплексы в тойили иной степени автоматизируют процесс создания программногообеспечения, с использованием модели, выраженной на специальном языке, вчастности проект Mimosa использует для этой цели онтологии.

Мюллер такжепредложил подход к построению многоагентных программных комплексов,основанный на использовании онтологий. Частным случаем моделей являютсяматематические модели, использующие тот или иной математический аппарат.В работах Фомичева В.А. математические модели используются дляпредставления содержания посланий интеллектуальных агентов. В работеБабкина Э.А. с помощью специализированного языка BRIC на основе сетейПетри была построена модельно-ориентированная среда разработки длямногоагентных систем.Однако одной из серьезных проблем существующих решений,использующих модели, является отсутствие практической возможностивыполнять автоматическую или автоматизированную проверку соответствиямодели (спецификации) программной реализации многоагентного комплекса.Подобная проверка носит название верификации. В существующих решенияхтакже слабо изучены методы автоматической проверки соответствияметамодели свойствам предметной области.

Подобная проверка носит названиевалидации.4Рисунок 1. Суть верификации и валидацииДля решения проблемы верификации и валидации в данной работеиспользуются исполняемые спецификации, позволяющие осуществить такуюпроверку в автоматическом режиме.Спецификация многоагентной модели, в данной работе, представляет собойописание поведения системы, в виде графа состояний, переходы которогосоответствуют действиям.

Термин действие описывается в разделеавтореферата, посвященном содержанию второй главы диссертации.Цель диссертационной работыЦелью данного исследования является разработка метода на основеформализма машин абстрактных состояний и исполняемых спецификаций,предназначенного для проектирования и верификации программныхкомплексов многоагентного имитационного моделирования. Ключевойхарактеристикой предлагаемого метода является поддержка автоматическойверификации.Предметомисследованияявляютсяисполняемыеповеденческиеспецификации и способы их применения для верификации многоагентныхпрограммных комплексов имитационного моделирования.Предлагаемый метод разработки ориентирован на профессионалов,создающих многоагентные имитационные комплексы, моделирующие системыс организованной сложностью, в частности - современные технические исоциально-экономические системы.

Для таких многоагентных комплексовхарактерны сложное внутреннее состояние агентов и асинхронное5взаимодействие большого числа агентов: от десятков до десятков тысячагентов.Задачи работыДостижениепоставленнойвзаимосвязанных задач:целитребуетрешенияследующих1. Разработка метода итеративного создания и верификации многоагентныхимитационных комплексов на основе применения исполняемыхспецификаций с использованием формализма машин действий.2. Разработка и анализ программной архитектуры, позволяющейреализовыватьэффективныемногоагентныекомплексыиподдерживающей разработанный метод.3.

Созданиепрототипараспределенноговысокопроизводительногопрограммного комплекса многоагентного моделирования, реализующегопредложенную архитектуру.4. Апробация предложенного метода и программных решений в ходемоделирования социально-экономического сценария.При изучении и анализе программной архитектуры использовались методысистемного анализа. Для построения алгоритмов создания и верификациимногоагентных имитационных комплеков применялись математическийформализм абстрактных машин состояний ASM, предложенный ЭгономБоргером в 1995 г, а также формализм машин действий (Гриескамп и др. 2005г), разработанный на его основе.Формальное описание программной архитектуры и динамики создаваемогопрограммного прототипа проводилось с использованием языка UML.Реализациявысокопроизводительногопрограммногокомплексамногоагентного моделирования была выполнена на языках C++, Python,AsmL.net, C#, Cord.Научная новизнаРезультаты диссертации являются новыми и состоят в следующем:1.

Предложены новый метод формальной спецификации и алгоритмыавтоматической верификации многоагентных имитационных комплексов,6отличающиеся от аналогов применением исполняемых спецификаций наоснове математического формализма машин действий.2. Предложены алгоритмы автоматизированной генерации программногокода многоагентных имитационных комплексов, отличающиеся отаналогов использованием формальной модели в виде машины действий.3. В поддержку предложенного метода разработана оригинальная сервисориентированная архитектура высокопроизводительного распределенногопрограммного комплекса имитационного многоагентного моделирования,отличающаяся от существующих представлением отдельных компонентовпрограммного комплекса (процессов) в виде композиции сервисов.4.